Компьютеры
28 ноября 2013, 17:00

Пост-кремний. Часть 1. Технологии, которые придут на смену CMOS: наноэлектромеханические переключатели

Технология CMOS уже долгое время является основой всей полупроводниковой продукции. Однако с переходом на более тонкие технологические нормы ее эффективность падает. По прогнозам специалистов уже в ближайшем будущем CMOS окончательно исчерпает свой ресурс. Какие технологии могут стать ей достойной альтернативой?

Не так давно мы рассказывали о технологии Dark Silicon и нескольких подходах к ее развитию, среди которых был вариант под названием Deus Ex Machina Horseman, или «Технологический прогресс». Такой подход предусматривает использование какой-либо фундаментально новой технологии в полупроводниках. В настоящее время используются стандартные MOSFET-транзисторы (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor), которые в переводе также называются МОП-транзисторами (Металл-Оксид-Полупроводник).

Архитектура MOSFET-транзистора

Источник изображения

Архитектура MOSFET-транзистора: оксидный слой (Oxide Layer), исток (Source), затвор (Gate), сток (Drain), подложка p-типа (p-type substrate), тело (Body).

Пока что MOSFET-транзисторы справляются со своей задачей благодаря полученным в последние годы улучшениям: Tri-Gate-транзисторам, транзисторам с металлическим затвором и применению материалов с высоким показателем диэлектрической константы (High-k). Однако показатели токов утечки таких транзисторов крайне высоки, а с переходом на более тонкие технологические нормы они будут лишь увеличиваться. Это означает, что по мере уменьшения размеров процессоров их энергопотребление будет находиться на прежнем уровне или даже возрастать. Поэтому ученые находятся в поисках принципиально новых решений для дальнейшего развития полупроводниковой продукции. По мнению исследователей «темного» кремния, такими решениями могут стать переключатели типа NEM (Nanoelectromechanical, или наноэлектромеханические) и TFETS-транзисторы (Tunnel Field Effect Transistors). О первых и пойдет речь в данной статье.

Эволюция MOSFET-транзисторов

Эволюция MOSFET-транзисторов: растянутый кремний (Strained Silicon) начал применяться еще с 2003 года, металлические затворы с высоким показателем диэлектрической константы (High-K Metal Gate) и Tri-Gate транзисторы чуть позже – с 2007 и 2011 годов, соответственно.

Наноэлектромеханические переключатели во многом схожи с традиционными полупроводниковыми переключателями. Они также могут использоваться в самых различных логических устройствах. Тем не менее, принципы работы стандартных полупроводниковых и наноэлектромеханических переключателей в корне различаются. Эти отличия обеспечивают более эффективную работу NEM-переключателей в некоторых приложениях. Так, они показывают себя с лучшей стороны в экстремальных условиях: например, они устойчивы к радиационному излучению и отлично функционируют при очень высоких и низких температурах. Однако по сей день не существует технологии, пригодной для массового производства наноэлектромеханических переключателей, поэтому полупроводниковые решения все еще занимают лидирующую позицию.

Почему наноэлектромеханика?

Так почему же наноэлектромеханические переключатели могут стать заменой традиционной МОП-технологии? NEM-переключатели обеспечивают низкий уровень токов утечки, что приводит к снижению энергопотребления. Это особенно важно в свете активного развития рынка мобильных устройств. Архитектура стандартных CMOS-девайсов (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) на сегодняшний день такова, что при уменьшении их размеров увеличивается энергопотребление на единицу площади. Наноэлектромеханические переключатели и даже гибридные NEM-CMOS-решения этого недостатка лишены — их энергопотребление значительно меньше.

Сравнительная диаграмма альтернативных для CMOS архитектур

Сравнительная диаграмма альтернативных для CMOS архитектур (NEM-переключателей, транзисторы класса III-V (III-V MOSFETs): туннельные транзисторы (Tunnel MOSFETs), нанопроволочные транзисторы (Nanowire MOSFETs), транзисторы типа IMOSFET (IMOSFETs) и их характеристики (совместимость с CMOS на архитектурном (CMOS architectural compatibility) и технологическом (CMOS technological compatibility) уровнях, масштабируемость (Scalability), производительность (Performance), энергоэффективность (Energy efficiency), надежность (Operational reliability), рабочая температура (Operational temperature)).

Как уже было отмечено выше, на работу наноэлектромеханических переключателей не влияет ни радиация, ни экстремальные температуры, ни внешние электрические поля. Эти особенности позволяют использовать ее и в других сферах, например, в аэрокосмической или оборонной отраслях.

Как это работает

В целом архитектура наноэлектромеханических переключателей в некоторых деталях может отличаться. Однако основными взаимодействующими частями переключателя являются так называемый активный элемент и электрод. Например, чуть ниже вы можете увидеть схему NEM-переключателя с использованием углеродной нанотрубки в качестве активного элемента. Именно положение активного элемента относительно электрода определяет, в каком состоянии — включенном или выключенном — находится переключатель. Изначально активный элемент и электрод не соприкасаются, то есть переключатель находится в выключенном положении. Чтобы перевести переключатель во включенное состояние, активному элементу необходимо воздействие электростатических сил. Эти силы постепенно поднимают напряжение, и при достижении его пикового показателя (который также называется Pull-In напряжением) активный элемент отклоняется вплоть до контакта с электродом.

Архитектура наноэлектромеханического переключателя с углеродной нанотрубкой в качестве активного элемента

Источник изображения

Архитектура наноэлектромеханического переключателя с углеродной нанотрубкой в качестве активного элемента: оксидный слой (Oxide), затвор (Gate), подложка (Substrate), сток (Drain), углеродная нанотрубка (Carbon nanotube), исток (Source).

После того как переключатель закрывается, между активным элементом и электродом возникают силы противодействия, которые стремятся открыть переключатель. Существует два механизма открытия переключателя: энергонезависимый и энергозависимый. В случае энергонезависимой работы величина противодействующей силы является недостаточной для того, чтобы вернуть активный элемент в начальное положение. Поэтому для открытия переключателя необходимо применить к активному элементу значительное электрическое смещение. В случае же энергозависимого функционирования противодействующей силы хватает для открытия переключателя, и при этом не требуется применять электрическое смещение.

Рабочие показатели тока между стоком и истоком (S-D current) и напряжения затвора (Gate voltage) для энергонезависимой (вверху) и энергозависимой (внизу) систем

На работу переключателя напрямую влияет материал, из которого изготовлен активный элемент, а точнее говоря, жесткость этого материала. Чем более жесткий применяется материал, тем легче проходит процесс открытия переключателя. Соответственно, чем материал мягче, тем сложнее вернуть активный элемент в исходное положение. Ученые не делают ставку ни на какой из вариантов: и у мягких, и у жестких материалов есть свои преимущества и недостатки. Так, например, при использовании жестких веществ возрастает количество ошибок в работе переключателя.

Необходимо сказать пару слов и о пороговых токах утечки (это ток, который проходит через девайс в состоянии OFF), которые, по большому счету, и являются главной причиной высокого энергопотребления традиционных CMOS-транзисторов. Из-за особенностей их архитектуры вполне возможно, что в скором времени на токи утечки будет приходиться более половины энергопотребления CMOS-устройства. Что касается наноэлектромеханических переключателей, то в среднем их токи утечки более чем в 20 раз ниже, чем у стандартных CMOS-девайсов. По этой причине архитектуру NEM рассматривают не только как новое, независимое решение, но и как составную часть гибридных NEM-CMOS-систем: наноэлектромеханические переключатели позволят значительно улучшить энергоэффективность CMOS-устройств при дальнейшем переходе на более тонкие технологические процессы.

В плане энергопотребления единственным недостатком NEM-переключателей является то, что при достижении их быстродействия в 150 миллионов операций в секунду показатели энергозатрат могут резко возрастать. Данную проблему лишь отчасти решает то, что для создания логической схемы c NEM-переключателями требуется меньшее их количество, чем CMOS-транзисторов. Поэтому даже в самом худшем случае энергопотребление будет находиться на приемлемом уровне.

Первые шаги: гибридные устройства

Несмотря на то, что у технологии NEM есть все необходимое, чтобы в перспективе полностью заменить CMOS, эксперты прогнозируют, что наибольшее распространение получат гибридные NEM-CMOS-устройства. Примерами таких девайсов являются динамический вентиль «ИЛИ» (Dynamic OR Gate) и память типа SRAM (Static Random Access Memory).

Архитектура динамического вентиля «ИЛИ» предусматривает последовательное размещение трех наноэлектромеханических переключателей под сетью PDN (Pull-Down Network), которая объединяет все транзисторные цепи. В результате применение NEM-переключателей значительно снижает уровень токов утечки в сети PDN и общее энергопотребление устройства.

Что касается SRAM-памяти, то архитектура ее ячейки изначально представляет собой шесть мощных транзисторов типа Pull-Down. Чтобы сделать ячейку гибридной, два из шести транзисторов заменяют на наноэлектромеханические переключатели.

Структура стандартной SRAM-ячейки

С применением наноэлектромеханических переключателей на 85% снижается энергопотребление, а также сокращаются задержки при чтении и записи информации.

Развитие гибридных устройств находится в самом начале своего пути, поэтому технология не лишена недостатков, характерных для совершенно новых продуктов. О них далее и пойдет речь.

Существуют несколько основных требований для наноэлектромеханических переключателей гибридных устройств. Прежде всего, необходимо увеличить «запас прочности» NEM-переключателей. На данный момент при их длительном использовании снижается стабильность работы. Также ученые находятся в поисках оптимальных размеров наноэлектромеханических переключателей. С одной стороны, меньшие по размерам переключатели потребляют меньше энергии да и в целом более перспективны, в особенности учитывая нынешние тенденции мобильного рынка. С другой же стороны, производство слишком мелких переключателей может быть неоправданно дорого. С этой точки зрения их размеры необходимо подкорректировать (читай — увеличить) под производственные мощности самого ближайшего будущего.

Наноэлектромеханический переключатель под микроскопом

Наноэлектромеханический переключатель под микроскопом: нижний (Bottom electrode) и верхний (Top electrode) электроды расположены над изолятором (Insulator). При этом они разделены воздушным пространством (Air Gap) толщиной 4 нм.

Помимо всего прочего, существует проблема работы наноэлектромеханических переключателей в воздушном пространстве. Дело в том, что на сегодняшний день работа большинства NEM-переключателей была продемонстрирована лишь в вакууме. В воздухе на них оказывает большое влияние процесс окисления, адгезионные силы, а также различного рода поверхностные контаминанты (читай — загрязнители), что крайне негативно сказывается на взаимодействии активного элемента и контактного электрода.

Также при уменьшении размеров переключателя резко ухудшается качество контакта активного элемента и электрода. Решением этой проблемы может стать использование электродов, отличающихся от стандартных металлических тонкопленочных.

О проблемах производства

Мы все привыкли к тому, что различные концептуальные устройства крайне редко доходят до серийного производства в близком к изначальному виде. Зачастую случается так, что конечный продукт лишь издали напоминает первоначальную задумку. В компьютерной индустрии ситуация аналогична. Чаще всего серийные устройства значительно уступают в производительности опытным образцам. Причина этого лежит в ограничениях, которые накладываются на устройства процессом производства и, в частности, необходимостью использования неоптимальных материалов и архитектуры. В качестве примера можно привести использование наноманипуляторов для размещения наноструктур и электронной литографии для установки металлических контактов на эти наноструктуры.

Наноманипуляторы не совсем подходят для производства NEM-переключателей

Источник изображения

И хотя в полупроводниковой индустрии постоянно улучшается производственной процесс, главным препятствием на пути изготовления наноэлектромеханических переключателей является отсутствие технологии, которая контролировала бы размещение большого числа наноструктур. В производстве лабораторных образцов наноструктуры малыми группами наносятся на подложку, а значит, впоследствии к ним невозможно будет применить существующие маски и сетки для установки электрических контактов.

Существует несколько технологий, которые могли бы стать первым существенным шагом на пути к массовому производству наноэлектромеханических переключателей. Одной из них является предварительное создание массивов наноструктур прямо на подложке устройства. Так, к примеру, наноструктуры в виде нанотрубок могут быть «выращены» с помощью CVD-процесса (Chemical Vapor Deposition, или химическое парофазное осаждение). В зависимости от того, какие именно наноструктуры и их свойства нужны для того или иного устройства, для их создания применяются специальные вещества, называемые катализаторами. В качестве катализаторов используются железные или кобальтовые наночастицы, ферритин и тонкие металлические пленки. Применяя CVD-процесс, необходимо тщательно следить за размером и направлением роста нанотрубок. Так, для контроля за диаметром нанотрубки могут использоваться электрические поля, а также кварцевые и сапфировые подложки. Интересно, что кварц и сапфир обеспечивают более эффективный контроль за ростом наноструктур, поскольку он проходит в соответствии с кристаллографической ориентацией используемого материалах. Однако зачастую подложки из таких инновационных материалов невозможно использовать в процессе производства. Например, для изготовления гибридных CMOS-NEM устройств требуется именно кремниевая подложка.

Выращенные с помощью CVD-процесса нанотрубки

Источник изображения

Размещение нанотрубок также может управляться с помощью предварительного нанесения катализаторов. Расположить катализаторы можно несколькими способами. При использовании мягкой литографии (или микроконтактной печати) применяется специальный полимерный «штамп», который наносит катализаторы сразу на всю площадь подложки. Помимо этого, для размещения катализаторов используется DPN-нанолитография (Dip-Pen Nanolithography). Суть этой технологии заключается в том, что тончайшее перо проходит по всей площади подложки и наносит точечные массивы катализаторов размером около 500 нм каждый.

Схема процесса DPN-нанолитографии

Источник изображения

Схема процесса DPN-нанолитографии: подложка (Substrate), направление нанесения (Writing Direction), молекулы чернил (Individual Ink Molecule), перо (Ink-coated DPN pen), водяной мениск (Water Meniscus), нанесенные структуры (Nanopatterned Ink).

Тем не менее, способ создания массивов наноструктур непосредственно на подложке имеет один недостаток. Такой метод совсем не подходит для использования при массовом производстве устройств. Поэтому особое внимание уделяется такой методике, как перенос готовых массивов наноструктур на подложку. Смысл метода заключается в том, что наноструктуры заранее создаются на подложке из подходящего материала, а затем на них накладывается специальный управляющий слой. После этого либо удаляется начальная подложка, либо снимается управляющий слой, уже содержащий наноструктуры. Завершает процесс операция переноса этого слоя на подложку устройства.

Производство наноэлектромеханических переключателей также возможно с помощью технологии тонких пленок. Главное преимущество технологии состоит в том, что она уже давно освоена, поэтому производство NEM-девайсов будет проще налаживать в сравнении с другими способами. Также технология облегчит интеграцию наноэлектромеханических переключателей в другие архитектуры: например, упростится производство NEM-CMOS-девайсов.

Общая схема производства наноэлектромеханических переключателей

Общая схема производства наноэлектромеханических переключателей: расположение наноструктур (Dispersed nanostructures) и графена (Exfoliated graphene) случайным образом на подложке, их ориентирование (Addressing) и конечный результат (Release).

О надежности

Помимо уже перечисленных выше задач, которые предстоит решить исследователя на пути к массовому производству наноэлектромеханических переключателей, также стоит вопрос о надежности устройств.

Как мы уже говорили в начале материала, при воздействии электростатических сил активный элемент отклоняется от своего начального положения и соприкасается с электродом, переводя переключатель в закрытое состояние. Однако в некоторых случаях переключатель так и остается в закрытом положении — даже с применением к нему электрического смещения. Такое поведение переключателя называется залипанием. Косвенно на процесс залипания также может влиять температура, хотя NEM-переключатели в целом ведут себя стабильно в экстремальных условиях.

Так выглядит процесс залипания NEM-переключателя

В случае энергозависимых наноэлектромеханических переключателей залипание считается крайне нежелательным процессом. Чтобы его устранить, необходимо каким-либо образом уменьшить силы, связывающие активный элемент и электрод. Одним из вариантов решения проблемы является использование иных материалов для электродов. Например, нанотрубчатые NEM-переключатели с углеродными электродами обладают меньшими связывающими силами, чем переключатели с электродами, изготовленными из золота.

Что касается энергонезависимых NEM-переключателей, то здесь ситуация в корне иная. В данном случае залипание закрывает переключатель, и при этом не требуется дополнительная энергия для поддержания его в таком состоянии. Для того чтобы открыть переключатель, к активному элементу и одному из электродов применяется электрический импульс. Величина электрического импульса может достигать 40 В, что значительно выше, чем средний показатель пикового Pull-In напряжения равный 5 В.

Еще одной потенциальной проблемой наноэлектромеханических переключателей может стать абляция — процесс локализованного плавления активного элемента и/или контактного электрода.

Процесс абляции под микроскопом

Когда переключатель находится в открытом положении, активный элемент выступает в роли конденсатора. По мере того как возрастает электрическое смещение, в активном элементе накапливается заряд. И затем, когда переключатель закрывается, заряд быстро рассеивается через этот активный элемент, что приводит к мгновенному росту тока. Величины этого тока может быть достаточно для того, чтобы расплавить активный элемент или повредить электрод. Переключатели, имеющие различную архитектуру, реагируют на этот процесс по-разному. Так, переключатели, изготовленные из нитрида титана, полностью разрушаются в процессе закрытия. А у переключателей из углеродных нановолокон разрушается конец активного элемента. Самым простым решением этой проблемы видится сближение активного элемента и электрода, но также повлиять на процесс абляции можно с помощью уменьшения жесткости активного элемента, что снизит количество содержащейся в системе энергии. В то же время подобные изменения могут вызвать более частые залипания переключателей.

Помимо всего прочего, исследователи ведут работу над увеличением срока службы наноэлектромеханических переключателей. Например, добавление ультратонкого оксидного покрытия на место контакта активного элемента и электрода может увеличить запас прочности тонкопленочных титановых устройств. Недостатком подобного решения является то, что оно эффективно лишь в течение нескольких сотен циклов. Затем производительность переключателя начинает падать по мере износа оксидного покрытия. Также для увеличения срока службы переключатели могут погружаться в изолирующую жидкость: в ней они лучше противостоят износу.

На срок службы наноэлектромеханического переключателя влияет в том числе материал, из которого изготовлены активный элемент и контактный электрод. Как правило, электрод является металлическим, однако в качестве исходного материала для него можно использовать алмазоподобный углерод. Его применение обеспечивает срок службы наноэлектромеханических переключателей порядка 1 миллиона рабочих циклов. При этом очень важно то, что алмазоподобный углерод совсем не подвержен процессу абляции, что повышает надежность устройства. Недостатком этого материала является то, что NEM-решения на его основе имеют большее энергопотребление. Вдобавок ко всему этот материал почти не приспособлен для использования в серийном производстве.

Повреждение активного элемента в результате износа

Для некоторых наноэлектромеханических переключателей свойственно появление трещин в активных элементах, хотя при идеальной работе они должны всего лишь растягиваться. Например, трещины появляются у карбидо-кремниевых NEM-переключателей, но исключительно при высоких температурах и после одного миллиарда рабочих циклов.

Так выглядит трещина наноэлектромеханического переключателя (на фото снизу)

Заключение

Развитие наноэлектромеханических переключателей находится еще в самой начальной стадии своего развития. За последнее время были представлены единичные в своем роде экземпляры таких устройств. Тем не менее, они уже были включены в международный план по развитию полупроводниковой продукции ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors). Специалисты уверены, что в ближайшую декаду исследования NEM-переключателей будут сосредоточены не столько на расширении их функциональности, сколько на решениях проблем, связанных с уменьшением размеров и интеграции. Также особое внимание будет уделено повышению надежности девайсов.

Первые устройства на базе наноэлектромеханических переключателей, скорее всего, появятся в какой-либо узкоспециализированной сфере, где не так важно быстродействие. Например, в ультраэкономичных решениях или системах, работающих в экстремальных условиях. Однако перед появлением устройств, полностью опирающихся на работу NEM-переключателей, увидят свет гибридные NEM-CMOS-решения — например, NEM-память типа SRAM. А с течением времени и качественным увеличением производственных возможностей наноэлектромеханические переключатели, вероятно, могут стать полноценной альтернативой CMOS.